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计算机组成原理：指令系统 第三章 指令系统 CPU的主要工作是执行指令，指令是指挥计算机执行某些操作的命令，一台计算机所有指令的集合构成该计算机的指令系统。指令和指令系统是计算机最基本的概念. 本章主要内容 指令格式 操作码的扩展、地址码的结构 常见的寻址方式 指令的类型 一、机器指令的格式 一条指令就是机器语言的一个语句，由一组二进制代码来表示。一条指令由两部分构成： 1、指令长度 指令长度是指一条指令中所包含的二进制代码的位数，它取决于操作码字段的长度、操作数地址的个数及长度。一般希望指令长度短一些。 指令长度与机器字长没有固定的关系。指令长度可以等于机器字长，也可以大于或小于机器字长。 在一个指令系统中，若所有指令的长度都相等，称为定长指令字结构；若各种指令的长度随指令功能不同而不同，称为变长指令字结构。 2、操作码 指令系统中的每一条指令都有一个唯一确定的操作码，指令不同，其操作码的编码也不同。 操作码字段的位数取决于计算机指令系统的规模。通常，希望用尽可能短的操作码字段来表达全部指令。于是，形成了操作码结构设计的不同方法。 指令操作码的编码可分为定长编码和变长编码。 定长编码 定长编码方式是最简单的一种操作码编码方式，操作码的位数和位置固定，但指令长度不固定。操作码的位数越多，所能表示的操作种类就越多。 操作码不同，所涉及的操作数的个数也不完全相同，所以指令的长度会随操作码的不同而变化。 例如，IBM370机就是采用这种定长操作码格式。 IBM 370机（字长32位）的指令可分为三种不同的长度，不论指令的长度有多少位，其中的操作码字段一律都是8位。 特点：字段规整、译码简单。 IBM 370机的指令格式 变长编码 变长编码是一种操作码长度不固定，而指令长度固定的设计方法。操作码分散在指令字的不同位置上。 例如：PDP-11机（字长16位）的指令分为单字长、两字长、三字长三种，其中单字长指令的操作码字段占4～16位不等，可遍及整个指令长度。 特点：操作码字段位数不固定将增加指令译码难度，使控制器的设计复杂化。但是，它有效地利用了指令中的每个二进制位。 PDP-11机的指令格式 指令操作码的扩展技术 变长操作码常常采用扩展操作码的方法来设计。 扩展思路：让地址码个数多的指令，操作码字段短些；让地址码个数少的指令，操作码字段长些。 假设，某机器指令长16位，包括一个操作码字段和三个地址字段，其中操作码字段4位，每个地址字段也是4位。其格式如下： 如果按照定长编码的方法，4位操作码字段最多只能表示16条不同的三地址指令。 指令操作码的扩展技术 3、地址码 根据一条指令中有几个操作数地址，可将该指令称为几地址指令。 一般的指令有被操作数、操作数以及操作结果这三个数，因而就形成了三地址指令格式，这也是早期计算机指令的基本格式。 在三地址格式的基础上，后来又发展成了二地址格式、一地址格式和零地址格式。 三地址指令 格式： 执行的操作： (A1) OP (A2) → A3 A1为被操作数地址， A2为操作数地址， A3为结果的存放地址。 A1、A2、A3可以是内存单元地址，也可以是运算器中的通用寄存器。如果全是内存中的单元地址，则执行一条三地址指令至少需要访问4次主存。 二地址指令 格式： 执行的操作： (A1) OP (A2) → A1 A1为目的操作数地址，兼做存放结果的地址；A2为源操作数地址。（A1原先的值无需保存） A1、A2可以是内存中的单元地址，也可以是运算器中的通用寄存器。如果是内存中的单元地址，则执行一条二地址指令至少要访问4次主存. 一地址指令 格式： 执行的操作： (AC) OP (A1) → AC 这种指令以累加寄存器AC中的数为被操作数，指令中地址码字段所指明的数为操作数，操作结果又放回累加寄存器AC中（隐含约定AC）。 A1可以是内存中的单元地址，也可以是运算器中的通用寄存器。如果是内存中的单元地址，则执行一条一地址指令至少需要访问2次主存。 零地址指令 格式： 零地址指令只有操作码，而没有地址码。 例如下面的情况不需要地址码： 指令不需要操作数，例如停机指令就没有操作数. 操作数隐含约定在累加器AC中。 操作数隐含指定在堆栈中，例如堆栈计算机，零地址指令的操作数从堆栈中获得。 简化地址结构与减少地址码字段的位数 简化地址结构的途径：隐含约定地址 PC代替指令中的后继指令地址 结果存放在操作数地址 操作数或结果约定在AC中 约定所有地址的位置，如零地址指令 减少地址码字段位数的途径： 采用隐含约定地址减少地址数，减少位数 采用寄存器寻址、寄存器间接寻址，减少位数 按操作数的物理位置分类 第一种是访问内存的指令格式，我们称这类指令为存储